用于模擬塊系巖體動(dòng)態(tài)力學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)裝置的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及用于模擬塊系巖體動(dòng)態(tài)力學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)裝置，包括用于承載模型試件的底座、分別設(shè)有絲杠的垂直加載機(jī)架和水平加載機(jī)架、兩個(gè)設(shè)有激振器的沖擊加載單元以及水平靜力加載單元，垂直加載機(jī)架豎直地固定在底座上，水平加載機(jī)架與水平靜力加載單元分別設(shè)置于垂直加載機(jī)架兩側(cè)的底座上，沖擊加載單元分別通過(guò)絲杠驅(qū)動(dòng)可上下滑動(dòng)地連接于水平加載機(jī)架與垂直加載機(jī)架上，使得激振器隨沖擊加載單元滑動(dòng)至與模型試件相應(yīng)的指定位置時(shí)通過(guò)激振器產(chǎn)生作用于模型試件的擾動(dòng)，水平靜力加載單元包括一根拉力可調(diào)節(jié)的鋼絲，鋼絲的一端可拆卸地連接于模型試件上。有益效果為：采用激振器進(jìn)行模擬沖擊擾動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)多種波形，相較落錘沖擊更符合實(shí)際情況，保證了試驗(yàn)的科學(xué)性。
【專利說(shuō)明】
用于模擬塊系巖體動(dòng)態(tài)力學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及深部巖體力學(xué)狀態(tài)模擬研究領(lǐng)域，尤其涉及用于模擬塊系巖體動(dòng)態(tài)力學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]眾所周知，巖體是實(shí)際的地質(zhì)體，它由斷層、節(jié)理和裂隙等所分割，這些結(jié)構(gòu)面之間由強(qiáng)度較低的充填體所聯(lián)系，所以巖體是典型的非均勻非連續(xù)介質(zhì)，可看作由不同尺度的巖塊相凝聚而成的集合體，其最主要特性是其塊體性。
[0003]外力作用下，巖體的變形主要由巖塊變形和結(jié)構(gòu)面處充填材料的變形所組成，而后者占整個(gè)巖體變形的主要部分。實(shí)測(cè)資料顯示，在巖體中進(jìn)行地下工程施工開(kāi)挖或者爆炸時(shí)，巖體邊界面處產(chǎn)生了顯著的巖塊相差位移，主要是巖塊的旋轉(zhuǎn)和相互間的滑移，這種旋轉(zhuǎn)和滑移在具有不同等級(jí)尺寸的巖塊間傳遞，因此形成大振幅、慢速傳播的廣譜非線性彈塑性變“位”波系或稱為擺形波。同時(shí)，巖塊間的相互旋轉(zhuǎn)和滑移使巖塊間充填物被破壞從而出現(xiàn)摩擦力的減少或相互間接觸的脫離，從而產(chǎn)生巖塊間的低摩擦現(xiàn)象，使得巖塊間的斷裂滑移相對(duì)更加容易，巖塊界面間“約束力(摩擦力)”的消失還可使原先巖塊內(nèi)儲(chǔ)存的能量得以釋放，從而誘發(fā)斷裂滑移型巖爆或者工程性地震。
[0004]上述巖體變形破壞特征和機(jī)制的研究顯然是傳統(tǒng)的連續(xù)介質(zhì)模型所無(wú)法得到的，必須基于巖體的塊系構(gòu)造理論，采用科學(xué)手段研究擾動(dòng)作用下塊系巖體的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性。
[0005]目前國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)工作，分別在理論研究和模擬試驗(yàn)取得了一定的進(jìn)展。但目前試驗(yàn)設(shè)備普遍采用落錘沖擊的方法，控制精度低，操作性不強(qiáng)，不能定量地開(kāi)展模擬試驗(yàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種能實(shí)現(xiàn)高地應(yīng)力、開(kāi)挖擾動(dòng)和爆炸擾動(dòng)模擬的基于相似理論對(duì)深部巖體應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行模擬測(cè)試的方法。
[0007]所述用于模擬塊系巖體動(dòng)態(tài)力學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)裝置，包括用于承載模型試件的底座、分別設(shè)有絲杠的垂直加載機(jī)架和水平加載機(jī)架、兩個(gè)設(shè)有激振器的沖擊加載單元以及水平靜力加載單元，垂直加載機(jī)架豎直地固定在底座上，所述水平加載機(jī)架與水平靜力加載單元分別設(shè)置于垂直加載機(jī)架兩側(cè)的底座上，所述沖擊加載單元分別對(duì)應(yīng)地通過(guò)一個(gè)所述絲杠驅(qū)動(dòng)可上下滑動(dòng)地連接于水平加載機(jī)架與垂直加載機(jī)架上，使得激振器隨沖擊加載單元滑動(dòng)至與模型試件相應(yīng)的指定位置時(shí)通過(guò)激振器產(chǎn)生作用于模型試件的擾動(dòng)，所述水平靜力加載單元包括一根拉力可調(diào)節(jié)的鋼絲，所述鋼絲的一端可拆卸地連接于模型試件的一側(cè)，使所述拉力水平地作用于模型試件。
[0008]所述用于模擬塊系巖體動(dòng)態(tài)力學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)裝置的進(jìn)一步設(shè)計(jì)在于，所述鋼絲的另一端通過(guò)以拉力調(diào)節(jié)單元調(diào)節(jié)拉力的大小，所述拉力調(diào)節(jié)單元包括砝碼盤與滑輪組，鋼絲的另一端穿過(guò)所述滑輪組與所述砝碼盤相連，通過(guò)改變砝碼盤承載的砝碼重量，實(shí)現(xiàn)水平拉力大小的調(diào)節(jié)。
[0009]所述用于模擬塊系巖體動(dòng)態(tài)力學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)裝置的進(jìn)一步設(shè)計(jì)在于，垂直加載機(jī)架和水平加載機(jī)架上分別設(shè)有固定組件，所述固定組件包括支架與調(diào)節(jié)螺栓，所述支架設(shè)于豎直滑軌的兩側(cè)且每個(gè)支架的一端為設(shè)有內(nèi)螺紋的頂圈，所述調(diào)節(jié)螺栓通過(guò)與所述頂圈旋橫向地支撐在支架上，用于在滑塊到達(dá)指定位置時(shí)，鎖緊調(diào)節(jié)螺栓固定沖擊加載單元。
[0010]所述用于模擬塊系巖體動(dòng)態(tài)力學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)裝置的進(jìn)一步設(shè)計(jì)在于，所述沖擊加載單元還包括荷載傳感器、沖擊頭以及滑塊，荷載傳感器和沖擊頭安裝于激振器相對(duì)于模擬試件的一側(cè)，激振器產(chǎn)生沖擊擾動(dòng)，所述擾動(dòng)依次經(jīng)荷載傳感器、沖擊頭作用于模型試件，激振器通過(guò)滑塊滑動(dòng)連接于對(duì)應(yīng)的垂直加載機(jī)架或水平加載機(jī)架。
[0011]所述用于模擬塊系巖體動(dòng)態(tài)力學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)裝置的進(jìn)一步設(shè)計(jì)在于，所述垂直加載機(jī)架和水平加載機(jī)架分別設(shè)有導(dǎo)軌，所述滑塊與所述導(dǎo)軌滑動(dòng)連接。
[0012]所述用于模擬塊系巖體動(dòng)態(tài)力學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)裝置的進(jìn)一步設(shè)計(jì)在于，所述絲杠通過(guò)驅(qū)動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)升降，所述驅(qū)動(dòng)單元包括步進(jìn)電機(jī)與減速箱，所述步進(jìn)電機(jī)通過(guò)減速箱傳動(dòng)連接于絲杠。
[0013]所述用于模擬塊系巖體動(dòng)態(tài)力學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)裝置的進(jìn)一步設(shè)計(jì)在于，所述底座的水平方向上設(shè)有導(dǎo)向槽，所述水平加載機(jī)架滑動(dòng)地設(shè)置于導(dǎo)向槽內(nèi)，便于適應(yīng)不同尺寸的模型試件。
[0014]所述用于模擬塊系巖體動(dòng)態(tài)力學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)裝置的進(jìn)一步設(shè)計(jì)在于，通過(guò)一控制單元控制信號(hào)源輸入的相位差，可以調(diào)節(jié)兩個(gè)沖擊加載單元的激振器作用于試件的時(shí)間點(diǎn)及作用時(shí)長(zhǎng)，用于模擬不同工況下塊系巖體受沖擊的現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)異步工作或同步工作，即實(shí)現(xiàn)單獨(dú)施加沖擊擾動(dòng)，或同時(shí)施加重加擾動(dòng)，或不同延時(shí)作用的雙向沖擊擾動(dòng)。
[0015]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)如下:
[0016](I)本發(fā)明采用激振器進(jìn)行模擬沖擊擾動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)多種波形，例如三角波、正弦波、余弦波，相較落錘沖擊只能實(shí)現(xiàn)脈沖信號(hào)，更符合實(shí)際情況，保證了試驗(yàn)的科學(xué)性。
[0017](2)可精確控制作用于模型試件的沖擊的力學(xué)參數(shù)及沖擊能量，可以定量地展開(kāi)試驗(yàn)研究。
[0018](3)整體穩(wěn)定性好、易于操作，可重復(fù)性強(qiáng)。
【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1是本發(fā)明的用于模擬塊系巖體動(dòng)態(tài)力學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]本發(fā)明的用于模擬塊系巖體動(dòng)態(tài)力學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)裝置具體如下:
[0021]本實(shí)施例的用于模擬塊系巖體動(dòng)態(tài)力學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)裝置，主要由用于承載模型試件的底座1、分別設(shè)有絲杠的垂直加載機(jī)架3和水平加載機(jī)架4、兩個(gè)設(shè)有激振器的沖擊加載單元以及水平靜力加載單元組成。垂直加載機(jī)架3豎直地固定在底座上，水平加載機(jī)架4與水平靜力加載單元分別設(shè)置于垂直加載機(jī)架兩側(cè)的底座上。沖擊加載單元分別對(duì)應(yīng)地通過(guò)絲杠驅(qū)動(dòng)可上下滑動(dòng)地連接于水平加載機(jī)架與垂直加載機(jī)架上，使得沖擊加載單元滑動(dòng)至與模型試件相應(yīng)的指定位置時(shí)通過(guò)激振器產(chǎn)生作用于模型試件的擾動(dòng)。
[0022]水平靜力加載單元主要由一根拉力可調(diào)節(jié)的鋼絲17與拉力調(diào)節(jié)單元組成。鋼絲17的一端可拆卸地連接于模型試件上。鋼絲的另一端通過(guò)一拉力調(diào)節(jié)單元調(diào)節(jié)拉力的大小。拉力調(diào)節(jié)單元由砝碼盤與滑輪組組成。如圖1，滑輪組由動(dòng)滑輪18、滑輪座5以及定滑輪19組成。定滑輪19設(shè)置在滑輪座5上。鋼絲17—端與模型試件固定，經(jīng)動(dòng)滑輪18和定滑輪19，另一端連接砝碼盤20，通過(guò)改變砝碼重量，調(diào)節(jié)水平拉力的大小。
[0023]垂直加載機(jī)架3和水平加載機(jī)架4上分別設(shè)有固定組件。固定組件由支架與調(diào)節(jié)螺栓組成。支架設(shè)于豎直滑軌的兩側(cè)且每個(gè)支架的一端為設(shè)有內(nèi)螺紋的頂圈。調(diào)節(jié)螺栓通過(guò)與頂圈旋接水平地支撐在支架上，用于在滑塊到達(dá)指定位置時(shí)，鎖緊調(diào)節(jié)螺栓以固定沖擊加載單元。
[0024]為了使得擾動(dòng)精準(zhǔn)、低損耗地作用于模擬試件2上，本實(shí)施例的沖擊加載單元中還包括荷載傳感器、沖擊頭以及滑塊。荷載傳感器和沖擊頭安裝于激振器相對(duì)于模擬試件的一側(cè)，激振器產(chǎn)生沖擊擾動(dòng)，擾動(dòng)依次經(jīng)荷載傳感器、沖擊頭作用于模型試件，激振器通過(guò)滑塊滑動(dòng)連接于對(duì)應(yīng)的垂直加載機(jī)架或水平加載機(jī)架。
[0025]進(jìn)一步的，垂直加載機(jī)架和水平加載機(jī)架分別設(shè)有導(dǎo)軌，滑塊11與導(dǎo)軌7滑動(dòng)連接。
[0026]絲杠通過(guò)驅(qū)動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)升降，驅(qū)動(dòng)單元包括步進(jìn)電機(jī)與減速箱，步進(jìn)電機(jī)8通過(guò)減速箱9傳動(dòng)連接于絲杠。本實(shí)施例的絲杠10為滾軸絲杠。
[0027]為了使該實(shí)驗(yàn)裝置適應(yīng)不同尺寸的模型試件，在底座的水平方向上開(kāi)設(shè)有導(dǎo)向槽，水平加載機(jī)架滑動(dòng)地設(shè)置于導(dǎo)向槽內(nèi)，使得水平加載機(jī)架可實(shí)現(xiàn)水平方向上的位移。
[0028]兩個(gè)沖擊加載單元的激振器通過(guò)一控制單元實(shí)現(xiàn)異步工作或同步工作，實(shí)現(xiàn)單獨(dú)施加沖擊擾動(dòng)，或同時(shí)施加重加擾動(dòng)，或不同延時(shí)作用的雙向沖擊擾動(dòng)，從而能夠?qū)崿F(xiàn)多種波形，例如三角波、正弦波、余弦波，相較落錘沖擊更符合實(shí)際情況脈沖，保證了試驗(yàn)的科學(xué)性。
[0029]本實(shí)施例的實(shí)驗(yàn)裝置可用于以下兩個(gè)實(shí)驗(yàn):
[0030]實(shí)驗(yàn)一:首先將模型試件放置于底座I之上。對(duì)于垂直加載方向，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)8連接減速箱9，驅(qū)動(dòng)安裝于滾軸絲杠10的激振器14，激振器14通過(guò)滑塊11沿線性滑軌7運(yùn)動(dòng)，當(dāng)沖擊頭16到達(dá)預(yù)訂位置時(shí)，旋緊調(diào)節(jié)螺栓13固定激振器14位置。對(duì)于水平加載方向，通過(guò)電機(jī)8連接減速箱9，驅(qū)動(dòng)安裝于滾軸絲杠10的激振器14，激振器14通過(guò)滑塊11沿線性滑軌7運(yùn)動(dòng)，當(dāng)沖擊頭16到達(dá)預(yù)訂位置時(shí)，旋緊調(diào)節(jié)螺栓13固定激振器位置。然后開(kāi)啟激振器14產(chǎn)生相應(yīng)的沖擊擾動(dòng)，經(jīng)荷載傳感器15和沖擊頭16分別作用于模型試件的頂部和側(cè)面。
[0031]實(shí)驗(yàn)二:首先將模型試件放置于底座I之上。對(duì)于水平加載方向，用鋼絲17—端與模型試件固定，經(jīng)動(dòng)滑輪18和定滑輪19，另一端連接砝碼盤20，通過(guò)改變砝碼重量，調(diào)節(jié)水平拉力的大小。對(duì)于垂直加載方向，通過(guò)電機(jī)8連接減速箱9，驅(qū)動(dòng)安裝于滾軸絲杠10的激振器14，激振器14通過(guò)滑塊11沿線性滑軌7運(yùn)動(dòng)，當(dāng)沖擊頭16到達(dá)預(yù)訂位置時(shí)，旋緊調(diào)節(jié)螺栓13固定激振器14位置。然后開(kāi)啟激振器14產(chǎn)生相應(yīng)的沖擊擾動(dòng)，經(jīng)荷載傳感器15作用于模型試件的頂部。
[0032]本實(shí)施例的實(shí)驗(yàn)裝置可精確控制作用于模型試件的沖擊的力學(xué)參數(shù)及沖擊能量，可以定量地展開(kāi)試驗(yàn)研究。另一方面，該裝置的整體穩(wěn)定性好、易于操作，可重復(fù)性強(qiáng)。
[0033]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下還可以做出若干改進(jìn)，這些改進(jìn)也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于模擬塊系巖體動(dòng)態(tài)力學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于包括用于承載模型試件的底座、分別設(shè)有絲杠的垂直加載機(jī)架和水平加載機(jī)架、兩個(gè)設(shè)有激振器的沖擊加載單元以及水平靜力加載單元，垂直加載機(jī)架豎直地固定在底座上，所述水平加載機(jī)架與水平靜力加載單元分別設(shè)置于垂直加載機(jī)架兩側(cè)的底座上，所述沖擊加載單元分別對(duì)應(yīng)地通過(guò)一個(gè)所述絲杠驅(qū)動(dòng)可上下滑動(dòng)地連接于水平加載機(jī)架與垂直加載機(jī)架上，使得激振器隨沖擊加載單元滑動(dòng)至與模型試件相應(yīng)的指定位置時(shí)通過(guò)激振器產(chǎn)生作用于模型試件的擾動(dòng)，所述水平靜力加載單元包括一根拉力可調(diào)節(jié)的鋼絲，所述鋼絲的一端可拆卸地連接于模型試件的一側(cè)，使所述拉力水平地作用于模型試件。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于模擬塊系巖體動(dòng)態(tài)力學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于所述鋼絲的另一端通過(guò)拉力調(diào)節(jié)單元調(diào)節(jié)拉力的大小，所述拉力調(diào)節(jié)單元包括砝碼盤與滑輪組，鋼絲的另一端穿過(guò)所述滑輪組與所述砝碼盤相連，通過(guò)改變砝碼盤承載的砝碼重量，實(shí)現(xiàn)水平拉力大小的調(diào)節(jié)。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于模擬塊系巖體動(dòng)態(tài)力學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于垂直加載機(jī)架和水平加載機(jī)架上分別設(shè)有固定組件，所述固定組件包括支架與調(diào)節(jié)螺栓，所述支架設(shè)于豎直滑軌的兩側(cè)且每個(gè)支架的一端為設(shè)有內(nèi)螺紋的頂圈，所述調(diào)節(jié)螺栓通過(guò)與所述頂圈旋橫向地支撐在支架上，用于在滑塊到達(dá)指定位置時(shí)，鎖緊調(diào)節(jié)螺栓固定沖擊加載單元。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于模擬塊系巖體動(dòng)態(tài)力學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于所述沖擊加載單元還包括荷載傳感器、沖擊頭以及滑塊，荷載傳感器和沖擊頭安裝于激振器相對(duì)于模擬試件的一側(cè)，激振器產(chǎn)生沖擊擾動(dòng)，所述擾動(dòng)依次經(jīng)荷載傳感器、沖擊頭作用于模型試件，激振器通過(guò)滑塊滑動(dòng)連接于對(duì)應(yīng)的垂直加載機(jī)架或水平加載機(jī)架。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于模擬塊系巖體動(dòng)態(tài)力學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于所述垂直加載機(jī)架和水平加載機(jī)架分別設(shè)有導(dǎo)軌，所述滑塊與所述導(dǎo)軌滑動(dòng)連接。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于模擬塊系巖體動(dòng)態(tài)力學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于所述絲杠通過(guò)驅(qū)動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)升降，所述驅(qū)動(dòng)單元包括步進(jìn)電機(jī)與減速箱，所述步進(jìn)電機(jī)通過(guò)減速箱傳動(dòng)連接于絲杠。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于模擬塊系巖體動(dòng)態(tài)力學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于所述底座的水平方向上設(shè)有導(dǎo)向槽，所述水平加載機(jī)架滑動(dòng)地設(shè)置于導(dǎo)向槽內(nèi)，便于適應(yīng)不同尺寸的模型試件。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于模擬塊系巖體動(dòng)態(tài)力學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于通過(guò)一控制單元控制信號(hào)源輸入的相位差，進(jìn)而調(diào)節(jié)兩個(gè)沖擊加載單元的激振器作用于試件的時(shí)間點(diǎn)及作用時(shí)長(zhǎng)，用于模擬不同工況下塊系巖體受沖擊的現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)沖擊加載單元的單獨(dú)施加沖擊擾動(dòng)或同時(shí)施加重加擾動(dòng)或不同延時(shí)作用的雙向沖擊擾動(dòng)。
【文檔編號(hào)】G01N3/00GK205665117SQ201620266685
【公開(kāi)日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年3月31日
【發(fā)明人】李 杰, 王波, 蔣海明
【申請(qǐng)人】濟(jì)南創(chuàng)探安防科技有限公司